Вчені використовують ШІ для створення штучних ферментів

Один із моїх улюблених літніх спогадів дитинства – це те, що я оточую світлячками. Із заходом сонця їхнє мерехтливе сяйво запалювало подвір’я, як ніжні казкові вогники. Той факт, що живі істоти можуть виробляти світло, здавався магією.

Але це не магія. Це ферменти.

Ферменти є каталізаторами життя. Вони керують кожним кроком нашого метаболізму, живлять фотосинтез у рослин, стимулюють розмноження вірусів, а в деяких організмах запускають біолюмінесценцію, щоб вони сяяли, як діаманти.

На відміну від штучних каталізаторів, які допомагають пришвидшити хімічні реакції, але часто потребують високого тепла, тиску або обох, ферменти неймовірно м’які. Подібно до дріжджів для випікання, ферменти працюють при температурах, які підтримують життя. Все, що вам потрібно зробити, це дати їм субстрат і умови для роботи — наприклад, борошно та воду — і вони виконають свою магію.

Частково тому ферменти неймовірно цінні. Від варіння пива до виробництва ліків і розщеплення забруднювачів, ферменти є хіміками-експертами природи.

Що, якщо ми зможемо перевершити природу?

На цьому тижні Нове дослідження in природа використав штучний інтелект, щоб розробити ферменти з нуля. Використовуючи глибоке навчання, команда доктора Девіда Бейкера з Університету Вашингтона розробила новий фермент, який імітує здатність світлячка випромінювати світло, але в клітинах людини в чашках Петрі. Загалом ШІ «галюцинував» понад 7,500 багатообіцяючих ферментів, які були додатково перевірені та оптимізовані. Отримане світло було досить яскравим, щоб побачити його неозброєним оком.

У порівнянні зі своїм природним аналогом, новий фермент був дуже ефективним, тому для освітлення темряви потрібно було лише трохи субстрату. Він також був дуже специфічним, тобто фермент віддавав перевагу лише одному субстрату. Іншими словами, стратегія може створити кілька ферментів, кожен з яких ніколи не зустрічався в природі, для одночасного виконання кількох завдань. Наприклад, вони можуть викликати багатоколірну біолюмінесценцію, як диско-куля, для зображення різних біохімічних шляхів усередині клітин. Одного разу сконструйовані ензими зможуть також «двічі натиснути» на ліки і, скажімо, одночасно діагностувати стан і перевірити лікування.

«Живі організми — чудові хіміки. Замість того, щоб покладатися на токсичні сполуки чи сильну спеку, вони використовують ферменти, щоб розщепити або створити все, що їм потрібно, у м’яких умовах. Нові ферменти можуть зробити доступними відновлювані хімікати та біопаливо», сказав Бейкер.

Білки за дизайном

За своєю суттю ферменти - це просто білки. Це чудова новина для ШІ.

Ще у 2021 році лабораторія Бейкера розробила алгоритм, який точно прогнозує структури білків лише на основі послідовності амінокислот. Наступна команда прибила функціональні сайти у білках за допомогою trRosetta, архітектора штучного інтелекту, який уявляє, а потім відточує гарячі точки, за які може захопитися ліки, білок або антитіло, прокладаючи шлях для ліків, про які люди не можуть мріяти.

Тож чому б не використати ту саму стратегію для розробки ферментів і принципово змінити біохімію природи?

Фермент 2.0

Команда зосередилася на люциферазі як на своїй першій цілі — ферменті, який змушує світлячків виблискувати.

Це не ностальгія за дитинством: люцифераза широко використовується в біологічних дослідженнях. З правильною підкладкою-партнером люмінесцентні фотони просвічують крізь темряву без зовнішнього джерела світла, що дозволяє вченим безпосередньо зазирнути всередину внутрішньої роботи клітини. Наразі вчені ідентифікували лише кілька типів цих цінних ферментів, багато з яких непридатні для клітин ссавців. Команда каже, що це робить фермент ідеальним кандидатом для проектування, керованого ШІ.

Вони вирушили з кількома цілями. По-перше, новий світловипромінюючий фермент повинен бути малим і стабільним при більш високих температурах. По-друге, йому потрібно було добре грати з клітинами: коли його закодували як літери ДНК і доставили в живі клітини людини, він міг захопити внутрішню фабрику клітини, що виробляє білок, і згортатися в точні 3D-структури, не викликаючи стресу чи шкоди для свого господаря. По-третє, фермент-кандидат мав бути селективним, щоб його субстрат випромінював світло.

Вибір субстратів був легким: команда зосередилася на двох хімічних речовинах, які вже використовувалися для отримання зображень. Обидва входять до сімейства, яке називається «люциферин», але вони відрізняються своєю точною хімічною структурою.

Потім у них виникли проблеми. Вирішальним фактором для навчання штучного інтелекту є маса даних. Більшість попередніх досліджень використовували відкриті бази даних, такі як Банк даних білка для скринінгу можливих білкових каркасів — кістяка, з якого складається білок. Проте DTZ (дифенілтеразин), їхній перший обраний люциферин, мав мало записів. Що ще гірше, зміни в їх послідовності призвели до непередбачуваних результатів у їхній здатності випромінювати світло.

Як обхідний шлях, команда створила власну базу даних білкових каркасів. Основою їхнього вибору був сурогатний білок, який отримав назву NTF2 (ядерний транспортний фактор 2). Це дивний заклад: NTF2 не має нічого спільного з біолюмінесценцією, але містив кілька кишень розміром і структурою, з якими DTZ міг зв’язуватися — і потенційно випромінювати світло.

Стратегія усиновлення спрацювала. За допомогою методу під назвою «галюцинації всієї родини» команда використовувала глибоке навчання, щоб галюцинувати понад дві тисячі потенційних ферментних структур на основі NTF2-подібних білкових магістралей. Потім алгоритм оптимізував основні області зв’язувальної кишені, дозволяючи творчість у більш гнучких областях білка.

Зрештою, ШІ галюцинував понад 1,600 білкових каркасів, кожен з яких краще підходить для DTZ, ніж оригінальний білок NTF2. Далі за допомогою RosettaDesign— набір штучного інтелекту та інших обчислювальних інструментів для проектування білка — команда додатково перевіряла активні сайти для DTZ, зберігаючи каркас стабільним. Загалом для перегляду було відібрано понад 7,600 дизайнів. У сні свахи (і кошмарі аспіранта) дизайни були закодовані в послідовності ДНК і вставлені в бактерії, щоб перевірити їх ферментативну силу.

Панував один переможець. Названий LuxSit (з латині означає «нехай світло існує»), він компактний — менший за будь-які відомі люциферази — і неймовірно стабільний, зберігаючи повну структуру при 95 градусах Цельсія (203 Фаренгейта). І це спрацьовує: коли йому дають підкладку, DTZ, тестовий пристрій світиться.

Гонка за дизайнерськими ферментами

Маючи LuxSit під рукою, команда вирішила оптимізувати свої можливості. Зосередившись на його зв’язувальній кишені, вони створили бібліотеку мутантів, у якій кожна амінокислота була мутована по черзі, щоб перевірити, чи вплинули ці зміни «букви» на її продуктивність.

Спойлер: вони зробили. Вивчаючи найактивніший фермент, команда виявила LuxSit-i, який викачує на 100 фотонів більше щосекунди на ту саму область порівняно з LuxSit. Новий фермент також переміг природні люциферази, освітлюючи клітини на 40 відсотків більше, ніж природна люцифераза з морських братків — виду, який світиться на люмінесцентних пляжах на теплих берегах Флориди.

Порівняно зі своїми натуральними аналогами LuxSit-i також мав “вишуканий” здатність націлюватися на молекулу свого субстрату, DTZ, із 50-кратною селективністю порівняно з іншим субстратом. Це означає, що фермент добре поєднувався з іншими люциферазами, дозволяючи дослідникам одночасно відстежувати кілька подій у клітинах. Під час підтвердження концепції команда довела саме це, відстежуючи два критичні клітинні шляхи, залучені в метаболізм, рак і функціонування імунної системи, використовуючи LuxSit-i та інший фермент люциферазу. Кожен фермент хапався за свій субстрат, випромінюючи світло різного кольору.

Загалом, дослідження додатково демонструє силу штучного інтелекту для зміни існуючих біохімічних процесів і потенційного проектування синтетичного життя. Він не перший, хто шукає ферменти з додатковими або більш ефективними здібностями. Назад в 2018, команда в Прінстоні розробила новий фермент, експериментально змінюючи кожну «гарячу точку» амінокислоти за раз — виснажлива, хоча й корисна спроба. Постійне та глибоке навчання – це, кашлю, каталізатор усього процесу проектування.

«Цей прорив означає, що в принципі можна створити спеціальні ферменти майже для будь-якої хімічної реакції», — сказав автор дослідження доктор Енді Сянь-Вей Є.

Зображення Фото: Джошуа Воронецький від Pixabay

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://singularityhub.com/2023/02/28/scientists-are-using-ai-to-dream-up-artificial-enzymes/